새로운 플루오로 퀴놀론계 항균제에 대한 내성 MRSA 균주의 In Vitro 선발과 그 내성 기전 분석
윤은정
*
·김현지*
·이춘영·최응칠*
·심미자#서울시립대학교 생명과학과, *서울대학교 약학대학종합 약학 연구소
(Received March 27, 2008; Revised April 25, 2008)
In Vitro Selection of MRSA Strains Resistant to Some New Fluoroquinolone Antibiotics and Characterization of their Resistance Mechanisms
Eun-Jeong Yoon*, Hyunjee Kim*, Chun-Yeong Lee, Eung-Chil Choi* and Mi-Ja Shim
#Department of Life Science, University of Seoul, Seoul 130-743, Korea
*College of Pharmacy and Research Institute of Pharmaceutical Sciences, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea
Abstract
— Clinically isolated methicillin-resistant Staphylococcus aureus strains were exposed to subinhibitory concen- tration of DW286, DW-224a, gemifloxacin, trovafloxacin, sparfloxacin and ciprofloxacin during 26- to 39-days period. Sub- culturing led to resistance development, and most of the selected mutants were above susceptible breakpoints. Selected mutants had broad cross resistance to other quinolone antibiotics and only one mutant was completely susceptible to all flu- oroquinolones. Twenty five among 42 mutants revealed mutations on DNA gyrase and topoisomerase IV by sequencing.
Also 16 mutants had fluoroquinolones MICs that were 4-32 times lower in the presence of reserpine. In conclusion, alter- ations in DNA gyrase or topoisomerase IV and action of efflux pumping out system are the resistance mechanisms of DW- 224a.
Keywords □
quinolone, DNA gyrase, topoisomerase IV, MRSA, QRDR
플루오로퀴놀론계항균제는
, ATP
의존효소인DNA gyrase
와
topoisomerase IV
의작용을방해하여DNA
이중나선구조의풀림과정을저지함으로써살균효과를나타낸다
.
이들플루오 로퀴놀론계항균제는본래그람양성균을포함하는항균범위를 가진다.
새로이개발되는플루오로퀴놀론계항균제는원내감염의대표적원인균인메치실린내성황색포도상구균
(Methicillin Resistant
Staphylococcus aureus, MRSA)
을포함하는다약제내 성그람양성균에항균력을가질수있도록지속적으로발전되 고있다.
1-3)그러나퀴놀론계항균제의광범위한사용으로,
기존 에사용되고있던항균제는물론이고새로이개발되는플루오로 퀴놀론계항균제에마저내성을가지는황색포도상구균이증가 하고있어문제가되고있다.
4,5)퀴놀론계항균제에내성을보이 게되는기전은DNA gyrase
의일부인 gyrA와 gyrB상의염기변이
, topoisomerase IV
의일부인grlA와grlB상의염기변이,
항균제유출펌프의작동으로인한약물투과력변화의
3
가지인것으로알려져있다
.
6,7)이중에서도실험실이나임상에서분리 된퀴놀론계항균제내성황색포도상구균(Quinolone Resistant
Staphylococcus aureus
, QRSA)
의 경우 주로DNA gyrase
와topoisomerase IV
의일정구간에점변이가일어남으로써내성이나타나는것으로보고되고있으며
,
이부분을퀴놀론내성결정 부위(Quinolone Resistance Determining Region, QRDR)
라고부른다
.
6,7)DW-224a(1-cyclopropyl-6-fluoro-7-[8-(methoxyimino)-2,6dia- zaspiro[3,4]oct-6-yl]-4-oxo-1,4-dihydro[1,8]naphthyridine-3-car- boxylic acid hydrochloride)
는국내제약회사에서개발중인플루 오로퀴놀론항균제이다(Fig. 1). DW-224a
는MRSA, QRSA
및 폐렴쌍구균을포함하는그람양성구균에효과적인 in vitro활 성을보이는것으로알려져있으며,
그람양성구균에의한마우 스의전신감염증에대한in vivo적용에도좋은효과를보인바있다
.
8-10)본실험에서는,
퀴놀론계항균제에감수성인7
개MRSA
#본논문에관한문의는저자에게로
(
전화) 02-2210-2490 (
팩스) 02-2210-2490
(E-mail) [email protected]
균주를
DW-224a
및다른퀴놀론계항균제에순차적으로노출시켜내성을유발하고
,
11)이들을대상으로다른퀴놀론계항균제 에대한교차내성을관찰하고, DNA gyrase
와topoisomerase IV
에일어난돌연변이를관찰하여내성의분자생물학적기전을분 석함으로써감염증의치료과정에서발생할수있는내성을예측 해보고자하였다
.
실험 방법
항균물질
본실험에사용된
DW-224a
와DW286
은동화약품주식회사(An-Yang, Korea)
에서합성한것을이용하였다.
비교를위해,
기존에이용되고있던플루오로퀴놀론계항균제인
ciprofloxacin (CIP, Bayer, Inc., West Haven, Conn.), gemifloxacin(GEM, LG Biotech, Seoul, Korea), sparfloxacin(SPX, Rhone-Poulene Rorer, Collegeville, Pa.), trovafloxacin(TVA, Pfizer, Inc., New York, NY, USA)
을이용하였다.
세균균주
서울의
3
차의료기관에서1999
년에서2005
년에걸쳐임상적으로분리된포도상구균중옥사실린에내성
(oxacillin MIC 4
µg/
m
l)
이며CIP
에감수성(CIP MIC 1
µg/m
l)
인7
주의MRSA
를선 발하여이용하였다.
MIC의측정
실험 대상 균종에대한 항균물질에대한 최소 억제 농도
(Minimal Inhibitory Concentration, MIC)
의 측정은, Clinical Laboratory Standard Institutes(CLSI)
의고체배지희석법에의 하여실시하였다.
12)각항균제는,
최고농도가64
µg/m
l가되도록하여
,
이농도에서부터2
배계열희석하여최저농도가0.06
µg/
m
l이되도록항균물질희석계열을만들었으며,
계열희석된항균물질의 농도는
CLSI
에서 권장하는ATCC
균주를 이용하여quality control
하였다.
여기에전배양한균액을희석하여최종균액 농도가
10
6CFU/m
l가 되도록 한 뒤, microinoculator (Sakuma Co., Ltd, Tokyo, Japan)
를이용하여각균액을5
µl씩 접종하였다.
균의성장을관찰할수없는최소농도를MIC
로결정하였고
,
내성의 기준은CLSI
의breakpoint
등에 따라CIP
≤2
µg/m
l, GEM
≤1
µg/m
l, SPX
≤0.5
µg/m
l, TVA
≤1
µg/m
l, DW286
≤1
µg/m
l, DW-224a
≤1
µg/m
l로하였다.
13)순차계대배양
항균제가들어있지않은
MH broth
에모균주를접종하여37
oC
에서
18
시간동안배양하였다.
이균액을MIC
의전후2
단계계 열희석항균제를포함하는broth
에최종10
4cfu/m
l이되도록접 종하였다. 37
oC
에서24
시간동안키운후,
항균제가들어있지않은배지와같은탁도를가지는최고농도의계열희석액을골라 같은방법으로계대배양을실시하였다
.
이와같은순차계대배양은약
40
일간반복하였다.
선발된돌연변이주들은항균제가들어있지않은
MH agar
배지에서10
번의계대배양을거친후에15%
의glycerol
을포함하도록하여다음과정을진행하기전까지
-70
oC
에보관하였다.
퀴놀론내성결정부위의변이분석
순차계대를통해선발된돌연변이체들의퀴놀론계항균제표 적부위에어떤변이가있었는지를확인하기위하여 grlA
,
grlB,
gyrA와gyrB를
PCR
법으로증폭하였다.
gyrB-
gyrA의5'primer, CAGCGTTAGATGTAGCAAGC
와3'primer, CAGGACCTTCA- ATATCCTCC
로1401 bp
의PCR product
를 얻었고,
grlB-
grlA 의5'primer, CGATTAAAGCACAACAAGCAAG
와3'primer, CTTGATGGCAATACCATTGGTTC
로1332 bp
의PCR product
를얻었다
. PCR
반응은95
에서5
분간초기변성후, 97
oC
에서30
초,
gyrB-
gyrA의 경우는50
oC,
grlB-
grlA의경우는54
oC
에서30
초, 72
oC
에서1
분의반응을30
회반복한뒤, 72
oC
에서10
분간최종신장및마무리하였다
.
이렇게얻어진반응산물을PCR product purification kit(INtRON Biotechnology Inc.)
를이용하여정제하고
,
그정제물을Applied Biosystems automatic DNA
Fig. 1 −
The chemical structures of DW286 and DW-224a.
sequencer
로염기서열을분석하였다.
항균제유출펌프
일정균주의
MIC
가reserpine
에의해4
배이상낮아질경우 에,
항균제유출펌프가작동되고있다고판단한다.
14)선발된돌연변이체들과모균주를
, 20
µg/m
l의reserpine(Sigma, St Louis,
MO, USA)
이포함되어있는배지와포함되어있지않은배지에서각각
MIC
를결정하여차이가생기는지를비교하였다.
실험결과 및 고찰
돌연변이체들은
26
회에서39
회의순차계대배양을거쳐선발하였다
.
순차계대배양에사용한MRSA
모균주의MIC
와순차 계대를통해증가된MIC
를Table I
에나타내었다.
각각의모균주는
,
순차계대배양에사용했던항균제에따라서로조금씩다 른내성획득양상을보였다. TVA
와DW286
으로처리한경우 의MIC
가가장느리게상승하였으며, CIP
로처리한경우의MIC
가가장빠르고높게상승하여플루오로퀴놀론계항균제의세 대별차이를확인할수있었다
.
돌연변이체들은모두항균제가들어있지않은배지에서
10
회의계대배양을거치며내성을안정화시켰다
.
안정화과정을거치면서, 42
개의돌연변이체중24
개 돌연변이체들의MIC
가소폭하락하였으며(Table I),
이렇게얻어진값을최종
MIC
로결정하였다. CIP
의MIC
는순차계대후에
0.25~0.5
µg/m
l에서16~128
µg/m
l로6
에서11
단계상승하 였고, SPX
의MIC
는0.03~0.06
µg/m
l에서1~2
µg/m
l로4
에서6
단계상승하였다. TVA
의MIC
는0.03~0.06
µg/m
l에서0.25~
8
µg/m
l로2
에서6
단계상승하였으며, 7
개대상균주중3
개돌 연변이체만breakpoint
이상으로올라가고나머지는순차계대가끝날때까지감수성을유지하였다
. GEM
의MIC
는0.03~0.06
µ
g/m
l에서4~128
µg/m
l로6
에서11
단계상승하였고, DW-224a
는
0.004~0.03
µg/m
l에서2~32
µg/m
l로7
에서10
단계상승하였다
. DW286
은모든대상균주들에대해초기MIC
가가장낮았으며
,
순차계대배양을실시한7
개의대상균주중2
개균주 만breakpoint
이상으로올라갔다.
얻어진최종의MIC
값과그Table I −
Initial and final MICs of strains for the serial passages and MICs of stabilized strains
Strain
Selecting agents MIC (
µg/m l )
DW286 DW-224a GEM TVA SPX CIP
SA1 MIC (
µg/m l ) Initial 0.008 0.03 0.03 0.03 0.06 0.5
Final 0.25 32 128 0.5 4 128
Stabilized**
0.25*8 4
0.52 128
No. of passages 32 38 38 32 32 32
SA2 MIC (
µg/m l ) Initial 0.008 0.03 0.03 0.06 0.06 0.25
Final 8 32 32 1 2 256
Stabilized 2 8 4
0.252 32
No. of passages 29 29 29 29 29 29
SA3 MIC (
µg/m l ) Initial 0.008 0.03 0.03 0.03 0.06 0.25
Final 0.25 4 64 8 2 512
Stabilized
0.254 64 8 2 16
No. of passages 26 26 26 26 26 26
SA4 MIC (
µg/m l ) Initial 0.008 0.03 0.03 0.06 0.06 0.25
Final 16 64 128 0.5 4 256
Stabilized 4 8 128
0.52 128
No. of passages 39 39 39 33 33 35
SA5 MIC (
µg/m l ) Initial 0.008 0.03 0.03 0.03 0.06 0.25
Final 1 32 32 4 2 128
Stabilized
132 4 2
164
No. of passages 29 29 29 29 29 29
SA6 MIC (
µg/m l ) Initial 0.25 0.004 0.06 0.03 0.03 0.015
Final 0.12 4 4 4 4 128
Stabilized
0.122 4 2 2 32
No. of passages 26 26 26 26 26 26
SA7 MIC (
µg/m l ) Initial 0.008 0.015 0.03 0.03 0.06 0.5
Final 0.25 32 8 4 2 512
Stabilized
0.124 8
1 1128
No. of passages 29 29 29 29 29 29
*Bold numbers mean under the breakpoint.
**All the mutants were stabilized by 10 antibiotic-free subcultures.
에대한
susceptibility
는플루오로퀴놀론계항생제의세대에따 라차이를보였다.
이에따라신규플루오로퀴놀론계항균제, DW286
은최상위단계의세대로, DW-224a
는GEM
과같은4
세대로판단하였다
.
7
개모균주로부터6
가지의퀴놀론계항생제로순차계대배양 하여선발한42
개돌연변이체들에대해퀴놀론계항균제에대한교차내성을확인한결과
, SA2
에서TVA
로선발한돌연변이를제외한모든균주가순차계대배양이전에비해다양한플루오
Table II −
Cross resistance and alterations in DNA gyrase and topoisomerase IV of selected mutants
Strain Selecting agents MIC (
µg/m l ) Alterations on enzymes of:
DW286 DW-224a GEM TVA SPX CIP GyrA GyrB GrlA GrlB
SA1
DW286 0.25
4 40.5
2 32DW-224a 0.5
8 40.5
2 32GEM
4 64 64 8 64 >64G82C S80F
TVA 0.06 0.5 0.5 0.5
1 8E590K
SPX 0.12 0.5 0.5 0.5
2 4M86I
CIP 0.25
4 4 2 2 >64S84del E84G S80F
SA2
DW286
2 32 161
8 >64E84K L515F
DW-224a 0.25
8 40.5 0.5
32E472K
GEM 0.5
8 41
2 >64TVA 0.06 0.06 0.12 0.25 0.25 1 ND ND ND ND
SPX 0.25
2 2 2 2 16CIP 0.06 1 0.5 0.5 0.5
32SA3
DW286 0.25 1 1 0.5
1 8DW-224a 0.06
42 0.25
1 16GEM
2 64 64 8 64 >64S84L E84K N584K
TVA
16 16 8 8 4 32SPX 0.25 1 1
8 2 8CIP 0.06 1 0.5 0.25 0.5
16S80F
SA4
DW286
4 64 64 16 64 >64S84L S80F H633R
DW-224a 0.5
8 8 4 8 >64E88G W592R D79N
GEM
8 >64 >64 32 64 >64S84L A116L
TVA 0.06 1 1 0.5
1 16W592R D79N
M86I
SPX 0.12 0.5 0.5 0.5
2 8E84G V87F
CIP 1
8 16 4 8 >64S84L A116E M86I
SA5
DW 286 1
32 161
2 >64DW-224a 1
32 161
2 >64S84L P585T
GEM 0.5
8 41
1 >64A116P
TVA 0.5 1 1
2 2 32S84A A116P T557R
SPX 0.12 1 1 0.5
1 4E84G
CIP 0.12 1 1 0.5 0.12
64M86I
SA6
DW 286 0.12
4 81
1 32G623D D79N
DW-224a 0.12
21 0.5 0.5
32GEM 1
64 41
2 32TVA 0.12 0.5 0.5
20.5
8A120E S80F
SPX 1
4 21
2 8S84L
S85P E84V
CIP 0.06
41 0.5 0.12
32SA7
DW 286 0.12 1 1 1 0.5
8S80F
DW-224a 0.5
4 20.5
1 32E88G A588E S108N
GEM 1
8 81
1 64TVA 0.06 0.12 0.25 1 0.5
16S80F
SPX 0.5
21 1
1 4CIP 1
64 32 2 64 >64S84L E84K
*Bold numbers mean cross resistance.
로퀴놀론계항균제에교차내성을가지게되었음을확인하였다
(Table II).
이후의돌연변이주에대한통계는이1
개균주를제외한나머지를
41
개주를대상으로하였다. 41
개돌연변이주모두
CIP
에내성이었고, 32
주(78.0%)
는SPX
에교차내성이었다. TVA
는13
주(31.7%)
에서 교차내성을가지고있었으며, 27
주(65.9%)
에서교차내성을보였던DW-224a
는24
주(58.5%)
에서교차내성이나타난
GEM
과비슷한정도였다. DW286
은교차내 성정도가 가장낮아서, 6
주(14.6%)
에서만교차내성이발견되었다
.
DNA gyrase
와topoisomerase IV
에서발견된변이는Table II
에정리하였다
.
모균주는모두이들효소에아무런변이도가지고있지않음을미리확인하였다
. DNA gyrase
의gyrA유전자에서는
,
총6
가지의점돌연변이와1
가지의결손돌연변이가발견 되었다. 22.0%
에해당하는돌연변이가S84
에서일어난변이였으며
,
그중하나는S84
의결손돌연변이였다. E88
에서일어난변이는
4.9%
에달했으며, S84
와E88
에서일어나는변이는이미 gyrA에서가장많이보고된바있다.
이밖에도A120E, G82C, S85P
의점돌연변이가발견되었다.
이전의발표에따르면,
gyrA유전자에일어난변이는대부분의균주에서내성발전의주요한 요인이나
,
gyrB는그렇지않다고알려져있다.
15)하지만이번실험에서는전체분석균주중
9.8%
에서 gyrB의변이가발견되었다
.
모든 변이는처음 발견된변이였으며, A588E, G623D
와W592R
로다양하였다. DNA topoisomerase IV
에서는L124
의silent mutation
을포함하여14
가지의점돌연변이가발견되었다. S80F
의점돌연변이와E84
에서일어난변이가17.1%
씩으로가 장많았으며,
그뒤를이어A116
과M86I, D79, S108
에서일어난변이가각
9.8%, 9.8%, 7.3%, 2.4%
로나타났다.
grlA에는, 2
가지또는
, 3
가지의점돌연변이를함께가지고있는균주도각7.3%, 2.4%
씩발견되었다.
grlB에서는E472K, E590K, H633R, L515F, N584K, P585T
와T557R
의변이가각1
건씩(2.4%)
발견 되었다.
임상에서분리된퀴놀론내성폐렴쌍구균에서도이와같은분석이시도된바있으며
,
16)본실험에서나타난결과와같이그작용부위로보여지는
DNA gyrase
및DNA topoisomerase IV
에서다양한변이가발견되었음이보고되었다.
DNA gyrase
와topoisomerase IV
의 gyrA,
grlA,
gyrB,
grlB에서아무런변이도발견되지않은돌연변이체는
41
개돌연변이 주중16
주였다.
이들에대해항생제유출펌프의작동으로인한내성의발전을확인하고자
reserpine
이함유된배지에서플루오로퀴놀론계항균제에대한
MIC
에차이가생기는지를확인 하였고 그 결과를Table III
에 표시하였다.
이들16
주 모두reserpine
에의해플루오로퀴놀론계항균제일부에대해4
단계이상의
MIC
하강이관찰되었다.
이를통해항균제유출펌프의작용으로인해내성이발전되었다는것을예측할수있었다
.
막결합단백질인
NorA
는세균안으로들어온항균제를구조적유사성과관계없이세균막밖으로유출시켜세균안에유효농도 이상의항균제가축적되지않게함으로써내성을유발한다
.
14)이유전자에의해 일어나는 항균제내성은식물알칼로이드인
reserpine
에의해저해되므로reserpine
에의해MIC
가하강하면NorA
에의해내성이발전되었다고생각할수있다.
즉이들16
개돌연변이체들은
DNA gyrase
및topoisomerase IV
의변이가아닌
NorA
에의해내성이발전된것으로볼수있었다.
또한reserpine
을처리했을경우그MIC
에영향을가장많이받는것Table III −
MIC determination with or without reserpine for the mutants having no alterations in DNA gyrase or topoisomerase IV
DW286 DW224a GMFX TVFX SPFX CPFX
reserpine (-) (+)
R*(-) (+)
R(-) (+)
R(-) (+)
R(-) (+)
R(-) (+)
RSA1 DW286 - -
-4 0.5
84 0.5
8- -
-- -
-32 4
8DW-224a 0.5 0.12
48 0.5
164 0.5
8- -
-- -
-32 4
8SA2 GEM - -
-8 2
44 1
41 0.25
4- -
->64 16
>8SPX - -
-2 0.5
4- -
-- -
-- -
-- -
-CIP - -
-1 0.25
4- -
-- -
-- -
-32 4
8SA3 DW286 - -
-1 0.12
81 0.12
8- -
-- -
-8 2
4DW-224a - -
-4 0.25
162 0.25
8- -
-- -
-16 4
4TVA 16 0.5
3216 0.5
328 1
8- -
-- -
-32 4
8SPX - -
-1 0.25
41 0.12
88 0.5
16- -
-8 2
4SA5 DW 286 - -
-32 2
1616 0.5
32- -
-- -
->64 4
>16CIP - -
-1 0.25
41 0.12
8- -
-- -
-64 4
16SA6 DW-224a - -
-2 0.25
81 0.25
4- -
-- -
-32 1
32GEM - -
-64 1
644 1
41 0.25
4- -
-32 4
8CIP - -
-4 0.06
641 0.12
8- -
-- -
-32 2
16SA7 GEM 1 0.25
48 0.5
168 0.5
161 0.25
4- -
-64 4
16SPX - -
-2 0.5
4- -
-- -
-- -
-- -
-*R means ratios MIC without reserpine/with reserpine
.이
DW-224a
인것으로보여져이에대한후속연구가필요할것 으로보인다.
결 론
DW-224a
는MRSA
에대해효과가좋은플루오로퀴놀론계항균제이다
.
하지만MRSA
가DW-224a
에여러계대에걸쳐노출 되면, DW286
이나TVA
등의플루오로퀴놀론계항균제들에비해빠르게내성을획득하였다
.
다만DW286
은in vivo실험후에그개발이중단된상태이며
TVA
는임상적용이중단된상태 임을감안한다면, GEM
과비슷한정도의내성발전정도를가지는
,
임상에서사용될수있는가장효과적인플루오로퀴놀론계항균제라고할수있겠다
. DW-224a
내성돌연변이주들은DNA gyrase
의일부인gyrA와topoisomerase IV
의일부인grlA의변이가확인되었다
.
이와같은결과는DNA gyrase
와topoisomerase IV
가DW-224a
의이중작용점을가지고있음을증명하는것이라 고할수있다.
감사의 말씀
이논문은서울시립대학교